燃料電池、燃料電池システム及び加熱部
【課題】発熱体の配置位置の自由度を上げて、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に温度調整する。
【解決手段】燃料電池１０において、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体５０と、セル積層体５０の端部に設けられ、セル積層体５０を加熱する加熱部５３とを有する。加熱部５３は、給電によって発熱するＰＴＣ素子７０を板面内に備えた発熱板６２と、当該発熱板６２を挟むように発熱板６２の両側に設けられ、前記発熱板６２のＰＴＣ素子７０に接触して給電する一対の電極板６１、６３と、を有する。
【解決手段】燃料電池１０において、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体５０と、セル積層体５０の端部に設けられ、セル積層体５０を加熱する加熱部５３とを有する。加熱部５３は、給電によって発熱するＰＴＣ素子７０を板面内に備えた発熱板６２と、当該発熱板６２を挟むように発熱板６２の両側に設けられ、前記発熱板６２のＰＴＣ素子７０に接触して給電する一対の電極板６１、６３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、その燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池を有している。この燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスの反応が行われる単セルが一方向に積層されて構成されたセル積層体（スタック）を有し、このセル積層体全体で所望の電圧の発電が行われている。
【０００３】
ところで、セル積層体は、外側の端部付近の温度が放熱により低くなる。セル積層体の端部付近の温度が低くなると、例えばその端部付近の単セル内の飽和水蒸気量が減少して水分量が増加し、例えば単セル内の水素イオンの移動を妨げて、セル積層体の発電電圧が低下することがある。このため、例えばセル積層体の端部の外側にヒータを配置し、セル積層体の端部付近の温度を適正な温度に保つことが行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のようにセル積層体の端部にヒータを設置する場合、例えばセル積層体とエンドプレートとの間に、一筆書き状の線状の発熱体を配線することが考えられる。この場合、発熱体は、セル積層体の端部面に沿って一続きに形成され、その両端部を所定位置の外部端子に接続する必要がある。このため、発熱体の配線のパターンは限定され、発熱体の配線設計の自由度は比較的低くなる。この結果、セル積層体やその周辺の構成によっては、セル積層体の端部面内に温度分布ができ、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温することが難しくなる。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発熱体の配置位置の自由度を上げて、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池であって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の端部に設けられ、前記セル積層体を加熱する加熱部と、を有し、前記加熱部は、給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、発熱板の面内に発熱体を備え、当該発熱板を挟んだ一対の電極板から発熱板の発熱体に給電することができるので、例えば一筆書き状の発熱体を用いた場合に比べて、発熱体の配置位置の自由度を上げることができる。これにより、セル積層体の構造等に応じて発熱体を適正な位置に配置し、例えばセル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温できる。
【０００９】
前記燃料電池における前記発熱体は、前記発熱板面内に複数配置されていてもよい。かかる場合、発熱板面をより均一に加温し、例えばセル積層体の端部付近の加温をより均一に行うことができる。
【００１０】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板は、前記発熱板の発熱体以外の部分よりも熱伝導性の高い材質により形成されていてもよい。かかる場合、内側の電極板が熱の拡散板としての機能を果たす。この結果、発熱板の熱が内側の電極板の面内に迅速に拡散し、内側の電極板面が均一に加温されるので、セル積層体の端部の加温をより均一に行うことができる。
【００１１】
また、前記発熱板の発熱体は、発熱板の他の部分よりも薄く形成されていてもよい。かかる場合、電極板により発熱板を挟み込んで密着させた際の荷重が、発熱体に直接掛かり難くなるので、発熱体の破損を防止できる。
【００１２】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積よりも大きくなっていてもよい。かかる場合、発熱体の熱が、セル積層体の端部に遠い外側の電極板側よりも、セル積層体の端部に近い内側の電極板側に伝わりやすくなる。この結果、発熱体の熱が、外側に放出されず、内側のセル積層体側に効率的に伝わるので、セル積層体の端部付近を効率的に加温できる。
【００１３】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板のさらに外側に断熱板を有していてもよい。かかる場合、セル積層体の外側への熱伝導が妨げられるので、その分発熱体の熱がセル積層体側に流れやすくなる。この結果、セル積層体の端部付近をさらに効率的に加温できる。
【００１４】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部とその端部に近い内側の電極板との間に絶縁材を有していてもよい。かかる場合、セル積層体の電力が加熱部側に漏電することを防止できる。
【００１５】
以上に記載の前記発熱体は、ＰＴＣ素子であってもよい。かかる場合、無制御で発熱板を一定の温度に温度調整できる。
【００１６】
前記発熱板は、異なるキュリー温度を備えた複数のＰＴＣ素子を有していてもよい。かかる場合、例えばセル積層体の複数の設定温度に対応できる。
【００１７】
前記電極板は、前記発熱板のＰＴＣ素子のキュリー温度毎に、所定のキュリー温度のＰＴＣ素子に給電する複数の領域に分割されていてもよい。
【００１８】
前記燃料電池は、前記セル積層体の温度を検出する温度センサをさらに有し、前記温度センサによる温度検出結果に基づいて、前記電極板の分割された複数の領域の中から、給電する領域が選択されるようにしてもよい。かかる場合、セル積層体の実際の温度に応じて、キュリー温度の異なるＰＴＣ素子を使い分けて、セル積層体の温度調整をより厳密に行うことができる。
【００１９】
前記電極板に給電する給電線には、ＰＴＣ素子が接続されていてもよい。かかる場合、例えば起動時に給電線を通じて発熱板の発熱体に過剰な電流が流れることを抑制できるので、起動時に起こりやすい発熱体によるセル積層体の過昇温を抑制できる。
【００２０】
別の観点による本発明によれば、上記燃料電池を有する燃料電池システムが提供される。
【００２１】
別の観点による本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体の端部に配置される加熱部であって、給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、発熱体の配置位置の自由度を上げて、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に温度調整することができるので、安定的で効率的な発電が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池を備えた燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００２４】
燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。
【００２５】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。この燃料電池１０の構成の詳細は後述する。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。燃料電池１０は、発電された電力が供給されるトラクションモータなどの負荷部１４に接続されている。
【００２６】
酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２７】
水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００２８】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２９】
供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。
【００３０】
循環流路３２には、水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。
【００３１】
制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３２】
制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置等の操作量を検出し、例えばトランクションモータなどの負荷部１４からの要求発電量等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷部１４は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。負荷部１４は、後述する燃料電池１０の加熱部５３の電源Ａにもなっている。
【００３３】
制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及び調圧装置３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。
【００３４】
次に、燃料電池１０について説明する。図２は、燃料電池１０の構成の概略を示す説明図である。
【００３５】
燃料電池１０は、例えば図２に示すように全体が直方体状のセル積層体５０を有する。セル積層体５０は、一方向に積層された方形板状の単セル５１と、それらの単セル５１の両端に取り付けられた集電板５２を有する。各単セル５１は、アノードとカソードを有し、水素ガスと酸化ガスの供給を受けて、当該水素ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する。集電板５２は、直列的に接続された単セル５１で発電した電力を出力する出力端子になっている。集電板５２は、負荷部１４に接続されている。
【００３６】
燃料電池１０は、セル積層体５０の両端部に加熱部５３を有する。燃料電池１０は、各加熱部５３の外側にエンドプレート５４を有し、セル積層体５０と加熱部５３が両側のエンドプレート５４により挟み込まれている。両側のエンドプレート５４同士は、締結棒５５によって締結されている。
【００３７】
加熱部５３は、例えば図３に示すようにセル積層体５０の端部側からエンドプレート５４側に向けて、絶縁材としての絶縁フィルム６０、内側電極板６１、発熱板６２、外側電極板６３及び断熱板６４がこの順で積層されている。
【００３８】
これらの絶縁フィルム６０、内側電極板６１、発熱板６２、外側電極板６３及び断熱板６４は、例えば図４に示すようにほぼ同じ大きさの略方形板状に形成され、これらが互いに密着して積層されている。
【００３９】
発熱板６２には、その板面内に複数の発熱体としてのＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子７０が埋め込まれている。ＰＴＣ素子７０は、発熱板６１の面内の全面に亘り、例えば縦方向と横方向に並べて配置されている。ＰＴＣ素子７０は、例えば図５に示すように発熱板６２を厚み方向に貫通し、発熱板６２の両面に露出するように設けられている。発熱板６２のＰＴＣ素子７０以外の部分は、例えば不導体の樹脂により構成されている。ＰＴＣ素子７０は、発熱板６２の他の部分の樹脂部６２ａよりも薄く形成されている。なお、本実施の形態では、発熱温度が収束する温度であるキュリー温度の同じＰＴＣ素子７０が用いられている。
【００４０】
内側電極板６１と外側電極板６３は、例えば全体が導電性の金属で構成されている。特に内側電極板６１は、少なくとも発熱板６２の樹脂部６２ａよりも熱導電性、熱拡散性の高い銅などで構成されている。例えば内側電極板６１は、例えば熱容量が大きくなるように外側電極板６３よりも厚く形成されている。これにより、内側電極板６１は、熱の拡散板としての機能を果たし、ＰＴＣ素子７０から内側電極板６１に伝わった熱は、内側電極板６１面内に均一に拡散し、内側電極板６１からセル積層体５０の端部面に斑なく熱が伝わる。
【００４１】
また、内側電極板６１と外側電極板６３は、ＰＴＣ素子７０の端面に接触する電極６１ａ、６３ａを有している。例えば内側電極板６１の電極６１ａは、外側電極板６３の電極６３ａより大きく形成されており、電極６１ａとＰＴＣ素子７０との接触面積が、電極６３ａとＰＴＣ素子７０との接触面積よりも大きくなっている。
【００４２】
内側電極板６１と外側電極板６３は、例えば図４に示すように給電線７１、７２によって電源Ａに接続されている。本実施の形態においては、内側電極板６１が陰極になり、外側電極板６３が陽極になっている。各給電線７１、７２は、各電極板６１、６３の外縁部に形成された端子６１ｂ、６３ｂに接続されている。これらの構成により、内側電極板６１と外側電極板６３に電圧を印加し、図５に示すように電極６１ａ、６３ａを通じて各ＰＴＣ素子７０に給電してＰＴＣ素子７０をキュリー温度に近づくように発熱させることができる。
【００４３】
絶縁フィルム６０は、ポリイミドなどの絶縁体により形成され、内側電極板６１とセル積層体５０との間を絶縁している。また、絶縁フィルム６０は、薄く形成され、高い熱透過性を有している。
【００４４】
断熱板６４は、例えばシリコン系の樹脂により形成され、外側電極板６３とエンドプレート５４との間を断熱している。
【００４５】
次に、以上のように構成された燃料電池１０の作用について説明する。例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われる際には、電源Ａから燃料電池１０の加熱部５３に電力が供給され、セル積層体５０の端部付近の温度調整が行われる。この際、加熱部５３の内側電極板６１と外側電極板６３との間に電圧が印加され、電極６１ａ、６３ａを通じて発熱板６２の各ＰＴＣ素子７０に電力が供給される。ＰＴＣ素子７０は、給電により所定のキュリー温度に安定するように発熱する。ＰＴＣ素子７０で発熱した熱は、内側電極板６１及び絶縁フィルム６０を通じてセル積層体５０側に伝わり、セル積層体５０の端部付近が所定の目標温度に調整される。
【００４６】
以上の実施の形態によれば、発熱板６２の面内にＰＴＣ素子７０を備え、当該発熱板６２を挟んだ一対の電極板６１、６３により、ＰＴＣ素子７０に給電することができるので、例えば一筆書き状の発熱体を用いた場合に比べて、ＰＴＣ素子７０の配置位置の自由度を上げることができる。これにより、ＰＴＣ素子７０を発熱板６２面内の適正な位置に配置し、例えばセル積層体５０の端部付近を十分になおかつ均一に温度調整できる。
【００４７】
また、ＰＴＣ素子７０が発熱板６２面内に複数配置されているので、発熱板６２の面内温度をより厳格に調整し、セル積層体５０の端部の面内温度をより均一に調整できる。
【００４８】
さらに、内側電極板６１は、発熱板６２のＰＴＣ素子７０以外の部分６２ａよりも熱伝導性の高い材質により形成されているので、内側電極板６１は、熱の拡散板としての機能を果たす。この結果、発熱板６２の熱が内側電極板６１の面内に迅速に拡散し、内側電極板６１の面内が均一に加温されるので、セル積層体５０の端部の温度調整をより均一に行うことができる。
【００４９】
また、発熱板６２のＰＴＣ素子７０は、発熱板６２のその他の部分よりも薄く形成されているので、一対の電極板６１、６３により発熱板６２を挟み込んで接着させた際の荷重が、ＰＴＣ素子７０に直接掛かり難くなり、荷重や衝撃に弱いＰＴＣ素子７０の破損を防止できる。
【００５０】
また、セル積層体５０の端部に近い内側電極板６１と発熱板６２のＰＴＣ素子７０との接触面積が、セル積層体５０の端部に遠い外側電極板６３とＰＴＣ素子７０との接触面積よりも大きくなっているので、ＰＴＣ素子７０の熱が、外側電極板６３側よりも、セル積層体５０に近い内側電極板６１側に伝わりやすくなる。この結果、ＰＴＣ素子７０の熱が、外側に放出されず、セル積層体５０側に効率的に伝わるので、セル積層体５０の端部付近を効率的に温度調整できる。
【００５１】
加熱部５３は、外側電極板６３のさらに外側に断熱板６４を有するので、セル積層体５０の反対側の外側への熱伝導が妨げられ、その分ＰＴＣ素子７０の熱がセル積層体５０側に流れる。この結果、セル積層体５０の端部付近をさらに効率的に温度調整できる。
【００５２】
また、加熱部５３は、セル積層体５０の端部と内側電極板６１との間に絶縁フィルム６０を有するので、セル積層体５０の電力が加熱部５３側に漏電することが防止される。
【００５３】
上記実施の形態では、発熱体としてＰＴＣ素子７０を用いたので、無制御で発熱板６２を所望の温度に温度調整できる。仮に、ＰＴＣ素子を発熱板などの面方向に一筆書き状に配置した場合には、発熱板面内の一部の温度が高くなると、ＰＴＣ素子全体の発熱が止まるので、面内温度の調整が十分に行われなくなる。本実施の形態では、ＰＴＣ素子７０を発熱板６２の面内に埋め込み、両側の電極板６１、６３により給電するようにしたので、ＰＴＣ素子７０の動作が発熱板６２の面内の温度分布の影響を受けなくなり、ＰＴＣ素子７０が所望の温度に発熱できる。特に、本実施の形態では、複数のＰＴＣ素子７０を発熱板６２面内に配置したので、各ＰＴＣ素子７０が独立して作動し、発熱板６２面内の温度を所望の温度に均一に調整できる。これにより、セル積層体５０の端部の面内温度の均一性を向上できる。
【００５４】
以上の実施の形態では、複数のＰＴＣ素子７０が、同じキュリー温度を有するものであったが、発熱板６２に異なるキュリー温度を有するＰＴＣ素子を配置してもよい。
【００５５】
例えば図６に示すように発熱板６２面内には、第１のキュリー温度Ｔ１を有する複数のＰＴＣ素子７０ａと、第１のキュリー温度Ｔ１より高い第２のキュリー温度Ｔ２を有する複数のＰＴＣ素子７０ｂが配置される。また、例えば外側電極板６３は、発熱板６２のＰＴＣ素子７０ａとＰＴＣ素子７０ｂのそれぞれ対応する２つの領域Ｒ１、Ｒ２に分割される。領域Ｒ１、Ｒ２は、互いに絶縁され、各領域Ｒ１、Ｒ２は、個別の給電線７２ａ、７２ｂによって電源Ａに接続されている。これにより、各領域Ｒ１、Ｒ２に個別に電力を供給し、各ＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂを選択的に発熱させることができる。この例によれば、例えばセル積層体５０の端部付近の調整温度に応じて、発熱させるＰＴＣ素子を変えて、複数の温度設定に適正に対応できる。
【００５６】
さらに、この例において、図７に示すようにセル積層体５０の温度を検出する温度センサ８０を設け、その温度センサ８０による温度検出結果に基づいて、領域Ｒ１、Ｒ２の中から給電する領域を選択するようにしてもよい。
【００５７】
かかる場合、温度センサ８０の温度検出結果は、例えば給電する領域を選択する選択手段としての制御装置１３に出力される。制御装置１３は、温度センサ８０によるセル積層体５０の温度に応じて、セル積層体５０が所望の温度になるように、ＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂのいずれかを選択し、電源Ａの例えばスイッチ回路（図示せず）を制御して、領域Ｒ１又は領域Ｒ２に給電を行うようにしてもよい。こうすることにより、キュリー温度の異なるＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂを用いて、より厳格にセル積層体５０の温度を調整できる。
【００５８】
さらに、このセル積層体５０の温度制御において、例えばセル積層体５０の端部の温度調整をキュリー温度の高いＰＴＣ素子７０ｂで行う場合に、先ず、キュリー温度低いＰＴＣ素子７０ａを用いて、セル積層体５０を温度調整し、その後、温度が安定してから、キュリー温度の高いＰＴＣ素子７０ｂを用いて、セル積層体５０を温度調整してもよい。かかる場合、２段階でセル積層体５０を加温できるので、例えば１段階目でセル積層体５０の面内温度を一定に安定させ、その後２段階目でセル積層体５０の面内温度を均一に保ちながら、セル積層体５０を目標温度に調整できる。この結果、セル積層体５０の目標温度における面内温度の均一性を向上できる。
【００５９】
なお、上記例では、キュリー温度の異なる２種類のＰＴＣ素子を用いたが、３種類以上のＰＴＣ素子を用いてもよい。
【００６０】
図８に示すように以上の実施の形態で記載した電源Ａと外側電極板６３とを接続する給電線７２には、ＰＴＣ素子９０を設けてもよい。例えば図９に示すように、給電線７２にＰＴＣ素子９０を配置しない場合、起動時に発熱板６２の多数のＰＴＣ素子７０に電力を供給しようとして、一時的に給電線７２に過剰の電流が流れることがある。これにより、ＰＴＣ素子７０に過剰の電力が供給されセル積層体５０が過昇温することがある。この例では、給電線７２にＰＴＣ素子９０を設けることにより、給電線７２に過剰の電流が流れることを抑制できるので、起動時に起こりやすいＰＴＣ素子７０によるセル積層体５０の過昇温を抑制できる。また、電源Ａから給電線７２に不要な大電流が流れることが抑制されるので、燃費の向上が図られる。さらに、何らかの理由で加熱部５３の絶縁抵抗が低下し、セル積層体５０の発電電流が加熱部５３側に漏れた場合にも、当該電流が給電線７２を通じて電源Ａ側に逆流することを防止できる。
【００６１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６２】
例えば以上の実施の形態では、発熱板６２の発熱体がＰＴＣ素子であったが、他の発熱体の場合にも本発明は適用できる。また、発熱体の数が単数の場合も本発明は適用できる。また、発熱体の大きさや形状も適宜選択できる。さらに、以上の実施の形態では、水素ガスと空気により発電する燃料電池１０であったが、他のガスにより発電する燃料電池にも本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システム１について説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】燃料電池の構成の概略を示す説明図である。
【図３】燃料電池の加熱部の構成を示す側面図である。
【図４】燃料電池の加熱部の構成を示す説明図である。
【図５】燃料電池の加熱部の構成を示す断面図である。
【図６】異なるキュリー温度のＰＴＣ素子を有する加熱部の説明図である。
【図７】温度センサを備えた燃料電池の構成を示す説明図である。
【図８】給電線にＰＴＣ素子を備えた燃料電池の構成を示す説明図である。
【図９】給電線にＰＴＣ素子を設けた場合と設けない場合の起動時の給電線における電流変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１３ 制御装置
１４ 負荷部
５０ セル積層体
５３ 加熱部
６０ 絶縁フィルム
６１ 内側電極板
６２ 発熱板
６３ 外側電極板
６４ 断熱板
７０ ＰＴＣ素子
Ａ 電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、その燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池を有している。この燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスの反応が行われる単セルが一方向に積層されて構成されたセル積層体（スタック）を有し、このセル積層体全体で所望の電圧の発電が行われている。
【０００３】
ところで、セル積層体は、外側の端部付近の温度が放熱により低くなる。セル積層体の端部付近の温度が低くなると、例えばその端部付近の単セル内の飽和水蒸気量が減少して水分量が増加し、例えば単セル内の水素イオンの移動を妨げて、セル積層体の発電電圧が低下することがある。このため、例えばセル積層体の端部の外側にヒータを配置し、セル積層体の端部付近の温度を適正な温度に保つことが行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７４６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述のようにセル積層体の端部にヒータを設置する場合、例えばセル積層体とエンドプレートとの間に、一筆書き状の線状の発熱体を配線することが考えられる。この場合、発熱体は、セル積層体の端部面に沿って一続きに形成され、その両端部を所定位置の外部端子に接続する必要がある。このため、発熱体の配線のパターンは限定され、発熱体の配線設計の自由度は比較的低くなる。この結果、セル積層体やその周辺の構成によっては、セル積層体の端部面内に温度分布ができ、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温することが難しくなる。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、発熱体の配置位置の自由度を上げて、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池であって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体と、前記セル積層体の端部に設けられ、前記セル積層体を加熱する加熱部と、を有し、前記加熱部は、給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、発熱板の面内に発熱体を備え、当該発熱板を挟んだ一対の電極板から発熱板の発熱体に給電することができるので、例えば一筆書き状の発熱体を用いた場合に比べて、発熱体の配置位置の自由度を上げることができる。これにより、セル積層体の構造等に応じて発熱体を適正な位置に配置し、例えばセル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に加温できる。
【０００９】
前記燃料電池における前記発熱体は、前記発熱板面内に複数配置されていてもよい。かかる場合、発熱板面をより均一に加温し、例えばセル積層体の端部付近の加温をより均一に行うことができる。
【００１０】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板は、前記発熱板の発熱体以外の部分よりも熱伝導性の高い材質により形成されていてもよい。かかる場合、内側の電極板が熱の拡散板としての機能を果たす。この結果、発熱板の熱が内側の電極板の面内に迅速に拡散し、内側の電極板面が均一に加温されるので、セル積層体の端部の加温をより均一に行うことができる。
【００１１】
また、前記発熱板の発熱体は、発熱板の他の部分よりも薄く形成されていてもよい。かかる場合、電極板により発熱板を挟み込んで密着させた際の荷重が、発熱体に直接掛かり難くなるので、発熱体の破損を防止できる。
【００１２】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積よりも大きくなっていてもよい。かかる場合、発熱体の熱が、セル積層体の端部に遠い外側の電極板側よりも、セル積層体の端部に近い内側の電極板側に伝わりやすくなる。この結果、発熱体の熱が、外側に放出されず、内側のセル積層体側に効率的に伝わるので、セル積層体の端部付近を効率的に加温できる。
【００１３】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板のさらに外側に断熱板を有していてもよい。かかる場合、セル積層体の外側への熱伝導が妨げられるので、その分発熱体の熱がセル積層体側に流れやすくなる。この結果、セル積層体の端部付近をさらに効率的に加温できる。
【００１４】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部とその端部に近い内側の電極板との間に絶縁材を有していてもよい。かかる場合、セル積層体の電力が加熱部側に漏電することを防止できる。
【００１５】
以上に記載の前記発熱体は、ＰＴＣ素子であってもよい。かかる場合、無制御で発熱板を一定の温度に温度調整できる。
【００１６】
前記発熱板は、異なるキュリー温度を備えた複数のＰＴＣ素子を有していてもよい。かかる場合、例えばセル積層体の複数の設定温度に対応できる。
【００１７】
前記電極板は、前記発熱板のＰＴＣ素子のキュリー温度毎に、所定のキュリー温度のＰＴＣ素子に給電する複数の領域に分割されていてもよい。
【００１８】
前記燃料電池は、前記セル積層体の温度を検出する温度センサをさらに有し、前記温度センサによる温度検出結果に基づいて、前記電極板の分割された複数の領域の中から、給電する領域が選択されるようにしてもよい。かかる場合、セル積層体の実際の温度に応じて、キュリー温度の異なるＰＴＣ素子を使い分けて、セル積層体の温度調整をより厳密に行うことができる。
【００１９】
前記電極板に給電する給電線には、ＰＴＣ素子が接続されていてもよい。かかる場合、例えば起動時に給電線を通じて発熱板の発熱体に過剰な電流が流れることを抑制できるので、起動時に起こりやすい発熱体によるセル積層体の過昇温を抑制できる。
【００２０】
別の観点による本発明によれば、上記燃料電池を有する燃料電池システムが提供される。
【００２１】
別の観点による本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体の端部に配置される加熱部であって、給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、発熱体の配置位置の自由度を上げて、セル積層体の端部付近を十分になおかつ均一に温度調整することができるので、安定的で効率的な発電が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池を備えた燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。
【００２４】
燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置１３等を備えている。
【００２５】
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。この燃料電池１０の構成の詳細は後述する。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。燃料電池１０は、発電された電力が供給されるトラクションモータなどの負荷部１４に接続されている。
【００２６】
酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２７】
水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。
【００２８】
なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。
【００２９】
供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。
【００３０】
循環流路３２には、水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。
【００３１】
制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、インジェクタ３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３２】
制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置等の操作量を検出し、例えばトランクションモータなどの負荷部１４からの要求発電量等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷部１４は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。負荷部１４は、後述する燃料電池１０の加熱部５３の電源Ａにもなっている。
【００３３】
制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及び調圧装置３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。
【００３４】
次に、燃料電池１０について説明する。図２は、燃料電池１０の構成の概略を示す説明図である。
【００３５】
燃料電池１０は、例えば図２に示すように全体が直方体状のセル積層体５０を有する。セル積層体５０は、一方向に積層された方形板状の単セル５１と、それらの単セル５１の両端に取り付けられた集電板５２を有する。各単セル５１は、アノードとカソードを有し、水素ガスと酸化ガスの供給を受けて、当該水素ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する。集電板５２は、直列的に接続された単セル５１で発電した電力を出力する出力端子になっている。集電板５２は、負荷部１４に接続されている。
【００３６】
燃料電池１０は、セル積層体５０の両端部に加熱部５３を有する。燃料電池１０は、各加熱部５３の外側にエンドプレート５４を有し、セル積層体５０と加熱部５３が両側のエンドプレート５４により挟み込まれている。両側のエンドプレート５４同士は、締結棒５５によって締結されている。
【００３７】
加熱部５３は、例えば図３に示すようにセル積層体５０の端部側からエンドプレート５４側に向けて、絶縁材としての絶縁フィルム６０、内側電極板６１、発熱板６２、外側電極板６３及び断熱板６４がこの順で積層されている。
【００３８】
これらの絶縁フィルム６０、内側電極板６１、発熱板６２、外側電極板６３及び断熱板６４は、例えば図４に示すようにほぼ同じ大きさの略方形板状に形成され、これらが互いに密着して積層されている。
【００３９】
発熱板６２には、その板面内に複数の発熱体としてのＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）素子７０が埋め込まれている。ＰＴＣ素子７０は、発熱板６１の面内の全面に亘り、例えば縦方向と横方向に並べて配置されている。ＰＴＣ素子７０は、例えば図５に示すように発熱板６２を厚み方向に貫通し、発熱板６２の両面に露出するように設けられている。発熱板６２のＰＴＣ素子７０以外の部分は、例えば不導体の樹脂により構成されている。ＰＴＣ素子７０は、発熱板６２の他の部分の樹脂部６２ａよりも薄く形成されている。なお、本実施の形態では、発熱温度が収束する温度であるキュリー温度の同じＰＴＣ素子７０が用いられている。
【００４０】
内側電極板６１と外側電極板６３は、例えば全体が導電性の金属で構成されている。特に内側電極板６１は、少なくとも発熱板６２の樹脂部６２ａよりも熱導電性、熱拡散性の高い銅などで構成されている。例えば内側電極板６１は、例えば熱容量が大きくなるように外側電極板６３よりも厚く形成されている。これにより、内側電極板６１は、熱の拡散板としての機能を果たし、ＰＴＣ素子７０から内側電極板６１に伝わった熱は、内側電極板６１面内に均一に拡散し、内側電極板６１からセル積層体５０の端部面に斑なく熱が伝わる。
【００４１】
また、内側電極板６１と外側電極板６３は、ＰＴＣ素子７０の端面に接触する電極６１ａ、６３ａを有している。例えば内側電極板６１の電極６１ａは、外側電極板６３の電極６３ａより大きく形成されており、電極６１ａとＰＴＣ素子７０との接触面積が、電極６３ａとＰＴＣ素子７０との接触面積よりも大きくなっている。
【００４２】
内側電極板６１と外側電極板６３は、例えば図４に示すように給電線７１、７２によって電源Ａに接続されている。本実施の形態においては、内側電極板６１が陰極になり、外側電極板６３が陽極になっている。各給電線７１、７２は、各電極板６１、６３の外縁部に形成された端子６１ｂ、６３ｂに接続されている。これらの構成により、内側電極板６１と外側電極板６３に電圧を印加し、図５に示すように電極６１ａ、６３ａを通じて各ＰＴＣ素子７０に給電してＰＴＣ素子７０をキュリー温度に近づくように発熱させることができる。
【００４３】
絶縁フィルム６０は、ポリイミドなどの絶縁体により形成され、内側電極板６１とセル積層体５０との間を絶縁している。また、絶縁フィルム６０は、薄く形成され、高い熱透過性を有している。
【００４４】
断熱板６４は、例えばシリコン系の樹脂により形成され、外側電極板６３とエンドプレート５４との間を断熱している。
【００４５】
次に、以上のように構成された燃料電池１０の作用について説明する。例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われる際には、電源Ａから燃料電池１０の加熱部５３に電力が供給され、セル積層体５０の端部付近の温度調整が行われる。この際、加熱部５３の内側電極板６１と外側電極板６３との間に電圧が印加され、電極６１ａ、６３ａを通じて発熱板６２の各ＰＴＣ素子７０に電力が供給される。ＰＴＣ素子７０は、給電により所定のキュリー温度に安定するように発熱する。ＰＴＣ素子７０で発熱した熱は、内側電極板６１及び絶縁フィルム６０を通じてセル積層体５０側に伝わり、セル積層体５０の端部付近が所定の目標温度に調整される。
【００４６】
以上の実施の形態によれば、発熱板６２の面内にＰＴＣ素子７０を備え、当該発熱板６２を挟んだ一対の電極板６１、６３により、ＰＴＣ素子７０に給電することができるので、例えば一筆書き状の発熱体を用いた場合に比べて、ＰＴＣ素子７０の配置位置の自由度を上げることができる。これにより、ＰＴＣ素子７０を発熱板６２面内の適正な位置に配置し、例えばセル積層体５０の端部付近を十分になおかつ均一に温度調整できる。
【００４７】
また、ＰＴＣ素子７０が発熱板６２面内に複数配置されているので、発熱板６２の面内温度をより厳格に調整し、セル積層体５０の端部の面内温度をより均一に調整できる。
【００４８】
さらに、内側電極板６１は、発熱板６２のＰＴＣ素子７０以外の部分６２ａよりも熱伝導性の高い材質により形成されているので、内側電極板６１は、熱の拡散板としての機能を果たす。この結果、発熱板６２の熱が内側電極板６１の面内に迅速に拡散し、内側電極板６１の面内が均一に加温されるので、セル積層体５０の端部の温度調整をより均一に行うことができる。
【００４９】
また、発熱板６２のＰＴＣ素子７０は、発熱板６２のその他の部分よりも薄く形成されているので、一対の電極板６１、６３により発熱板６２を挟み込んで接着させた際の荷重が、ＰＴＣ素子７０に直接掛かり難くなり、荷重や衝撃に弱いＰＴＣ素子７０の破損を防止できる。
【００５０】
また、セル積層体５０の端部に近い内側電極板６１と発熱板６２のＰＴＣ素子７０との接触面積が、セル積層体５０の端部に遠い外側電極板６３とＰＴＣ素子７０との接触面積よりも大きくなっているので、ＰＴＣ素子７０の熱が、外側電極板６３側よりも、セル積層体５０に近い内側電極板６１側に伝わりやすくなる。この結果、ＰＴＣ素子７０の熱が、外側に放出されず、セル積層体５０側に効率的に伝わるので、セル積層体５０の端部付近を効率的に温度調整できる。
【００５１】
加熱部５３は、外側電極板６３のさらに外側に断熱板６４を有するので、セル積層体５０の反対側の外側への熱伝導が妨げられ、その分ＰＴＣ素子７０の熱がセル積層体５０側に流れる。この結果、セル積層体５０の端部付近をさらに効率的に温度調整できる。
【００５２】
また、加熱部５３は、セル積層体５０の端部と内側電極板６１との間に絶縁フィルム６０を有するので、セル積層体５０の電力が加熱部５３側に漏電することが防止される。
【００５３】
上記実施の形態では、発熱体としてＰＴＣ素子７０を用いたので、無制御で発熱板６２を所望の温度に温度調整できる。仮に、ＰＴＣ素子を発熱板などの面方向に一筆書き状に配置した場合には、発熱板面内の一部の温度が高くなると、ＰＴＣ素子全体の発熱が止まるので、面内温度の調整が十分に行われなくなる。本実施の形態では、ＰＴＣ素子７０を発熱板６２の面内に埋め込み、両側の電極板６１、６３により給電するようにしたので、ＰＴＣ素子７０の動作が発熱板６２の面内の温度分布の影響を受けなくなり、ＰＴＣ素子７０が所望の温度に発熱できる。特に、本実施の形態では、複数のＰＴＣ素子７０を発熱板６２面内に配置したので、各ＰＴＣ素子７０が独立して作動し、発熱板６２面内の温度を所望の温度に均一に調整できる。これにより、セル積層体５０の端部の面内温度の均一性を向上できる。
【００５４】
以上の実施の形態では、複数のＰＴＣ素子７０が、同じキュリー温度を有するものであったが、発熱板６２に異なるキュリー温度を有するＰＴＣ素子を配置してもよい。
【００５５】
例えば図６に示すように発熱板６２面内には、第１のキュリー温度Ｔ１を有する複数のＰＴＣ素子７０ａと、第１のキュリー温度Ｔ１より高い第２のキュリー温度Ｔ２を有する複数のＰＴＣ素子７０ｂが配置される。また、例えば外側電極板６３は、発熱板６２のＰＴＣ素子７０ａとＰＴＣ素子７０ｂのそれぞれ対応する２つの領域Ｒ１、Ｒ２に分割される。領域Ｒ１、Ｒ２は、互いに絶縁され、各領域Ｒ１、Ｒ２は、個別の給電線７２ａ、７２ｂによって電源Ａに接続されている。これにより、各領域Ｒ１、Ｒ２に個別に電力を供給し、各ＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂを選択的に発熱させることができる。この例によれば、例えばセル積層体５０の端部付近の調整温度に応じて、発熱させるＰＴＣ素子を変えて、複数の温度設定に適正に対応できる。
【００５６】
さらに、この例において、図７に示すようにセル積層体５０の温度を検出する温度センサ８０を設け、その温度センサ８０による温度検出結果に基づいて、領域Ｒ１、Ｒ２の中から給電する領域を選択するようにしてもよい。
【００５７】
かかる場合、温度センサ８０の温度検出結果は、例えば給電する領域を選択する選択手段としての制御装置１３に出力される。制御装置１３は、温度センサ８０によるセル積層体５０の温度に応じて、セル積層体５０が所望の温度になるように、ＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂのいずれかを選択し、電源Ａの例えばスイッチ回路（図示せず）を制御して、領域Ｒ１又は領域Ｒ２に給電を行うようにしてもよい。こうすることにより、キュリー温度の異なるＰＴＣ素子７０ａ、７０ｂを用いて、より厳格にセル積層体５０の温度を調整できる。
【００５８】
さらに、このセル積層体５０の温度制御において、例えばセル積層体５０の端部の温度調整をキュリー温度の高いＰＴＣ素子７０ｂで行う場合に、先ず、キュリー温度低いＰＴＣ素子７０ａを用いて、セル積層体５０を温度調整し、その後、温度が安定してから、キュリー温度の高いＰＴＣ素子７０ｂを用いて、セル積層体５０を温度調整してもよい。かかる場合、２段階でセル積層体５０を加温できるので、例えば１段階目でセル積層体５０の面内温度を一定に安定させ、その後２段階目でセル積層体５０の面内温度を均一に保ちながら、セル積層体５０を目標温度に調整できる。この結果、セル積層体５０の目標温度における面内温度の均一性を向上できる。
【００５９】
なお、上記例では、キュリー温度の異なる２種類のＰＴＣ素子を用いたが、３種類以上のＰＴＣ素子を用いてもよい。
【００６０】
図８に示すように以上の実施の形態で記載した電源Ａと外側電極板６３とを接続する給電線７２には、ＰＴＣ素子９０を設けてもよい。例えば図９に示すように、給電線７２にＰＴＣ素子９０を配置しない場合、起動時に発熱板６２の多数のＰＴＣ素子７０に電力を供給しようとして、一時的に給電線７２に過剰の電流が流れることがある。これにより、ＰＴＣ素子７０に過剰の電力が供給されセル積層体５０が過昇温することがある。この例では、給電線７２にＰＴＣ素子９０を設けることにより、給電線７２に過剰の電流が流れることを抑制できるので、起動時に起こりやすいＰＴＣ素子７０によるセル積層体５０の過昇温を抑制できる。また、電源Ａから給電線７２に不要な大電流が流れることが抑制されるので、燃費の向上が図られる。さらに、何らかの理由で加熱部５３の絶縁抵抗が低下し、セル積層体５０の発電電流が加熱部５３側に漏れた場合にも、当該電流が給電線７２を通じて電源Ａ側に逆流することを防止できる。
【００６１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６２】
例えば以上の実施の形態では、発熱板６２の発熱体がＰＴＣ素子であったが、他の発熱体の場合にも本発明は適用できる。また、発熱体の数が単数の場合も本発明は適用できる。また、発熱体の大きさや形状も適宜選択できる。さらに、以上の実施の形態では、水素ガスと空気により発電する燃料電池１０であったが、他のガスにより発電する燃料電池にも本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システム１について説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。
【図２】燃料電池の構成の概略を示す説明図である。
【図３】燃料電池の加熱部の構成を示す側面図である。
【図４】燃料電池の加熱部の構成を示す説明図である。
【図５】燃料電池の加熱部の構成を示す断面図である。
【図６】異なるキュリー温度のＰＴＣ素子を有する加熱部の説明図である。
【図７】温度センサを備えた燃料電池の構成を示す説明図である。
【図８】給電線にＰＴＣ素子を備えた燃料電池の構成を示す説明図である。
【図９】給電線にＰＴＣ素子を設けた場合と設けない場合の起動時の給電線における電流変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６４】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１３ 制御装置
１４ 負荷部
５０ セル積層体
５３ 加熱部
６０ 絶縁フィルム
６１ 内側電極板
６２ 発熱板
６３ 外側電極板
６４ 断熱板
７０ ＰＴＣ素子
Ａ 電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の端部に設けられ、前記セル積層体を加熱する加熱部と、を有し、
前記加熱部は、
給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、
当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記発熱体は、前記発熱板面内に複数配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板は、前記発熱板の発熱体以外の部分よりも熱伝導性の高い材質により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発熱板の発熱体は、発熱板の他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板のさらに外側に断熱板を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部とその端部に近い内側の電極板との間に絶縁材を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発熱体は、ＰＴＣ素子であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記発熱板は、異なるキュリー温度を備えた複数のＰＴＣ素子を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電極板は、前記発熱板のＰＴＣ素子のキュリー温度毎に、所定のキュリー温度のＰＴＣ素子に給電する複数の領域に分割されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記セル積層体の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記温度センサによる温度検出結果に基づいて、前記電極板の分割された複数の領域の中から、給電する領域が選択されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極板に給電する給電線には、ＰＴＣ素子が接続されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池を有する燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体の端部に配置される加熱部であって、
給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、
当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする、加熱部。
【請求項１】
燃料電池であって、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体と、
前記セル積層体の端部に設けられ、前記セル積層体を加熱する加熱部と、を有し、
前記加熱部は、
給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、
当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記発熱体は、前記発熱板面内に複数配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板は、前記発熱板の発熱体以外の部分よりも熱伝導性の高い材質により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発熱板の発熱体は、発熱板の他の部分よりも薄く形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セル積層体の端部に近い内側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板と前記発熱板の発熱体との接触面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部に遠い外側の電極板のさらに外側に断熱板を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記加熱部は、前記セル積層体の端部とその端部に近い内側の電極板との間に絶縁材を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記発熱体は、ＰＴＣ素子であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記発熱板は、異なるキュリー温度を備えた複数のＰＴＣ素子を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電極板は、前記発熱板のＰＴＣ素子のキュリー温度毎に、所定のキュリー温度のＰＴＣ素子に給電する複数の領域に分割されていることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記セル積層体の温度を検出する温度センサをさらに有し、
前記温度センサによる温度検出結果に基づいて、前記電極板の分割された複数の領域の中から、給電する領域が選択されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記電極板に給電する給電線には、ＰＴＣ素子が接続されていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池を有する燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体の端部に配置される加熱部であって、
給電によって発熱する発熱体を板面内に備えた発熱板と、
当該発熱板を挟むように発熱板の両側に設けられ、前記発熱板の発熱体に接触して給電する一対の電極板と、を有することを特徴とする、加熱部。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−１９３７９１（Ｐ２００９−１９３７９１Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２３２２（Ｐ２００８−３２３２２）
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１３日（２００８．２．１３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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